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Nature:饮食习惯可通过肠道微生物影响后代健康

发布日期:2016/6/3 15:20:34      浏览量:

肠道微生物经过近几年大规模测序的开展,已然成为微生物研究中的重要的研究对象,目前已有的研究中表明其在免疫,代谢等多个方面中有着重要作用;很多疾病都与肠道微生物群有关,故微生物群是临床医学上的一直都是研究目标。斯坦福大学的Erica D.研究团队探究了饮食习惯是否会对子代健康产生影响;本文虽然只是16s测序,涉及到肠道微生物的属而已,但其精巧的实验设计,值得我们好好品味;

为了让大家更好地看懂这篇文章,我们先了解一下两个概念:

1. OTU(operationaltaxonomic units) :在物种分类学中,通常按照 97% 的相似性阈值将物种的基因序列划分为不同的 OTU,每一个 OTU 通常被视为一个微生物的属。本文中的微生物多样性和不同微生物的丰度都是基于对OTU的分析。

2.菌群可利用碳水化合物(Microbiota-accessible carbohydrates, MACs):是肠道末端菌群的碳和能量的主要来源,大量存在于膳食纤维中,在微生物生态系统形成过程中起重要作用。相比起传统的饮食来说,西化饮食中MACs含量较少。


研究思路

      

图1 实验研究思路与方法

 

在这个实验中,样品中的微生物多样性和不同微生物的丰度都是基于对OTU的分析。


如何模拟人类肠道菌群并设计对照组呢?

首先,将小鼠人源化使小鼠肠道内的菌群种类与丰度与捐献者相似,将人源化小鼠喂养高MACs的食物6周后分为两组,实验组是先喂养7周低MACs食物,再喂养6周高MACs食物;对照组则一直喂养高MACs食物。


我们的饮食对菌群多样性与丰度可是有影响的哦

通过实验表明,在单代个体中,饮食引起的丰度、多样性降低是可以通过再摄入高MACs食物来恢复的,说明在短期时间内,菌群是有恢复能力的,但是低MACs食物的摄入对肠道菌来说还是有一定的影响的。


多样性损伤会遗传吗?

那么饮食引起的微生物多样性损失会通过传代而进一步加大吗?研究人员对实验组与对照组小鼠的后4代进行了同样的培育和分析,发现实验组的后代体内微生物的多样性要低于持续喂养高MACs食物的对照组小鼠后代,而且在喂养高MACs食物几周后,实验组小鼠的菌群多样性也没有恢复到对照组水平。随着代数的增加,实验组小鼠与对照组小鼠体内的微生物组分差别就越大(图2a)。


图2 低丰度菌群的低效率代际间传递 a.实验组四代小鼠与对照组小鼠排泄物中的16S rRNA扩增子图谱的UniFrac距离的Principal coordinate分析;b.实验组与对照组中高置信度OTUs丰度热图


研究者还对高置信度的OTUs的相对多度进行的绘图,从图可以看出实验组小鼠在传代过程中菌群种类丢失的模式(图2b)。在图中,我们发现在加入MACs后有些OTUs的丰度会略微增加,这会不会是由于代际间的低效传递引起的丢失呢?研究团队的结论证明,相比起高丰度的OTUs,低丰度的更难被传递到下一代,且大多数消失的菌种属于拟杆菌目。


你造吗?MACs可不仅仅影响菌群哦


图3 评估初代与四代实验组小鼠体内糖苷水解酶家族差异,并与对照组比较

 

研究团队对实验组与对照组第一代小鼠与第四代小鼠的糖苷水解酶能力都进行了比较评估。对比发现,实验组中第四代小鼠与第一代小鼠之间糖苷水解酶丰度降低,而实验组的没什么变化。故MACs的降低除了让部分菌群的消失之外,还会让糖苷水解酶能力下降。


那要怎样恢复种群多样性与丰度呢?

图4

 

前面提到,仅仅食用高MACs食物是无法恢复肠道菌群的多样性与成分到正常水平,那是否有必要加入所缺失的菌群呢?他们给实验组四代小鼠饲喂了对照组四代小鼠的排泄物(faecal microbiota transplant, FMT)样品,并用高MACs食物喂养两周后发现,这些小鼠肠道内菌群的多样性与成分已恢复到对照组水平。恢复的类群主要是在高置信度OTUs中消失最多的拟杆菌目。

人类发展至今,每一次饮食结构的改变都伴随着肠道菌群的调整。此实验证明了仅仅改变饮食不足以让菌群失调个体的菌群恢复健康,而要通过粪便移植来补充所缺的菌类。虽然现在不同类型的微生物多样性在宿主健康方面的作用还不明确,但是或许将已消失的菌种加入到现代肠道菌群中可能可以恢复进化史上我们肠道的一些重要功能。


实验之外的闪光点

除了实验结果之外,这个实验的设计思路也是一个闪光点,让我们一起在回顾下着三次实验的设计方案吧。

图5:a.小鼠实验图解人源化小鼠先用高MACs食物饲养4周,随后将小鼠对半分成实验组与对照组,实验组先喂食低MACs食物7周,再喂食高MACs食物6周,而对照组小鼠则一直喂养高MACs食物;b.多代小鼠实验图解实验组第二、三、四代小鼠都在断奶后喂养低MACs食物,而他们的亲代小鼠则在他们断奶后被喂养6周的高MACs食物,对照组小鼠的所有后代也都一直喂养高MACs食物;c.排泄物移植小鼠实验图解实验组第四代小鼠在断奶后喂养低MACs食物,几周后喂养4周高MACs食物,随后分为两组,一组喂养FMT与高MACs食物,另外一组只喂养高MACs食物。


这个实验的设计思路比较严谨,注重细节,先从单代小鼠开始研究,小鼠人源化后先是喂养了4周的高MACs食物,之后再分成两组进行实验;随后在多代小鼠间研究多样性损失效应的遗传性与叠加作用,同时在对照组子代小鼠断奶后喂养亲代小鼠高MACs食物来多次验证实验结果,以排除偶然性;最后再探究恢复菌群多样性的条件,脉络清晰,是我们值得学习的地方。


近年来,微生物研究进行得风生水起,而美国“国家微生物组计划” 的启动更是为其添上了一把火,在微生物组研究中,宏基因组测序与16S rDNA测序技术无疑是一大依靠。同时本文中提到的粪便移植让墨大不禁联想到老祖宗的传统中药里面,就不乏来自人和某些动物的粪便,比如人中黄,五灵脂、夜明砂、望月砂、蚕砂等。有人以此攻击说粪便入药是愚蠢不科学的行为,但我相信随着研究的不断深入,这些中药的科学原理肯定会在不远的将来被逐渐揭开。


锐博小编:现今很多疾病都与肠道微生物群有关,从微生物方面入手来研究表观遗传也不失为一个很好的途径,同时这篇文章不仅为我们现代饮食习惯敲响了警钟,而且强调了饮食习惯能够影响子代遗传的微生物分布,从而影响其健康。




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